利用Java实现网络通信
吕昱
计算机通过TCP/UDP协议在网络上通信是建立在以下四层模型之上的：
当我们编写JAVA应用程序时，主要是在第四层即应用层工作。一般说来，不必关心TCP/UDP层，这是因为java.net包已提供了系统无关的底层实现。然而，理解TCP和UDP对于决定选择使用哪种java类，还是十分必要的。 TCP协议是以连接为基础的协议，通信前，首先要建立连接，然后才能通信。因此，能保证同步、准确地进行通信。如果应用程序需要可靠的点对点通信，一般采用TCP这种协议。比如：HTTP，ftp,telnet等应用程序，确保其可靠性对于程序运行是非常关键的。另一方面，有的应用程序对通信的要求并不一定要求如此严格。比如ping命令。我们还可以考虑这样一个例子：服务器提供一个时钟服务，它定时发送时间数据；客户端不断提取时间数据；如果对这样一个应用程序，我们也建立可靠的连接，那么，如果一个数据包丢失，客户请求重发该包，重发回的数据已失去意义了。因此，降低了该服务程序的效率和适用性。 最后，我们阐述以下另一个较重要的概念：端口。我们知道，数据通过网络到达一台主机(或准确的说是主机的网卡)是通过IP地址实现的。但当该主机运行多个程序时如何识别数据是属于哪个程序的呢?这就是端口。一个端口只能绑定一个应用程序。通过TCP/UDP通信的应用程序必须知道对方的IP地址和端口号才能通信。端口号可取从0－65535，其中，0－1023为保留端口，提供给众所周知的一些服务。下图说明了端口的使用。
下面，我们具体分析两个java程序，加深对上面概念的理解。
一、 socket和TCP
下面列出服务程序和客户程序的源代码。具体分析见代码中的注释。 该程序只能建立单一的一对连接，但根据其原理，可以编写出多线程的多对连接的复杂的网络程序。该应用的客户端程序是一个独立的应用程序，但其完全可以通过Applet来实现相同的功能。 笔者在IE4.0的环境下，通过关闭一些安全选项实现了浏览器内的Applet与服务器程序的轻松通讯。然而，在IE5.0的环境中，情况发生了变化。IE5.0的安全选项与IE4.0有一定区别。无论如何设置，都无法实现在IE4.0中的效果，显示出了”xxx.xxx.xxx.xxx:4444 can not access”这样的出错信息。通过分析，我认为，这可能是IE5.0对网络安全性的考虑加强的缘故。通过分析，我认为applet程序只应与其所在服务器上的应用程序通讯，且该服务器应该是WEB服务器。于是，我把本应用程序的服务器程序放在WEB SERVER上运行，结果获得了成功。我使用的环境是，WEB SERVER：IIS (Option pack 3)；MS VJ＋＋6.0。//下面KKState类实现一个有趣的对话过程的主要流程：用户启动服务程序，服务程序监听来自网络的连接请求，//如果有客户连接，则建立连接。然后，在客户终端示″knock!knock!″，客户端如″Who′s there?″,则//回答″Turnip″。客户输入″Turnip who?″,回答″Turnip the heat,it′s cold in here! Want another?(y/n)″。如果客户//输入″y″,则进行下一轮新的对话，否则结束。关于对话的内容事先存储在两个字符串数组中。import java.net.＊;import java.io.＊;class KKState{ private static final int WAITING=0; private static final int SENTKNOCKKNOCK=1; private static final int SENTCLUE=2; private static final int ANOTHER=3; private static final int NUMJOKES=5; private int state=WAITING; private int currentJoke=0; private Stringclues={″Tumip″,″Little Old Lady″,″Atch″,″Who″;″Who″}; private Stringanswers={″Turnip the heat,it′s cold in here!″, ″I didn′t know you could yodel!″, ″Bless you!″, ″Is there an owl in here?″, ″Is there an echo in here?″};String processInput(String theInput){String theOutput=null;if(state==WAITING){ theOutput=″Knock!Knock!″; state=SENTKNOCKKNOCK; } else if(state==SENTKNOCKKNOCK){ if(theInput.equalsIgnoreCase(″Who′s there?″)){ theOutput=clues[currentJoke]; state=SENTCLUE; } else{ theOutput=″You′re supposed to say/″Who′s there?/″!Try again.Knock!Knock!″; } }else if(state==SENTCLUE){ if(theInput.equalsIgnoreCase(clues[currentJoke]＋″who?″)){ theOutput=answers[currentJoke]＋″Want another?(y/n)″; state=ANOTHER; } else{ theOutput=″You′re supposed to say/″″＋clues[currentJoke]＋″who?/″″＋″!Try again.Knock!Knock!″; state=SENTKNOCKKNOCK; } } else if(state==ANOTHER){ if(theInput.equalsIgnoreCase(″y″)){ theOutput=″Knock!Knock!″; if(currentJoke==(NUMJOKES－1)) currentJoke=0 else currentJoke＋＋; state=SENTKNOCKKNOCK; } else{ theOutput=″Bye.″; state=WAITING; } } return theOutput; }}//服务器程序class KnockKnockServer{public static void main(String［］args){ ServerSocket serverSocket=null; try { serverSocket=new ServerSocket(4444);// 创建服务器端socket }catch(IOException e){ System.out.println(″Could not listen on port:″＋4444＋″,″＋e; System.exit(1); } Socket clientSocket=null; try{ clientSocket=serverSocket.accept();//监听申请连接到该socket的要求并建立连接 }catch(IOException e){ System.out.println(″Accept failed:″＋4444＋″,″＋e); System.exit(1); } try{ //通过客户端socket,获取输入数据流对象，通过它可以读入客户端输入的信息 //通过客户端socket,获取输出数据流对象，通过它可以向客户端输入的信息 DataInputStream is=new DataInputStream(new BufferedInputStream(clientSocket.getInputStream())); PrintStream os=new PrintStream(new BufferedOutputStream(clientSocket.getOutputStream(),1024),false); //KKState类用于处理输入的会话信息，然后返回设定好的回答 KKState kks=new KKState(): String inputLine,outputLine; outputLine=kks.processInput(null); os.println(outputLine);//第一次运行，输入参数为null,kks返回：″Knock!Knock!″;然后向客户端写入。 0s.flush(); //如果客户端没有输入，readLine将阻塞；如果客户端关闭，readLine返回为null。 //在下面循环语句中，以读一行，再写一行的方式与客户交互。 while((inputLine=is.readLine())!=null){ outputLine=kks.processInput(inputLine); os.println(outputLine); os.flush(); if(outputLine.equals(″Bye.″))break; } //以下完成清除工作。 os.close(); is.close(); clientSocket.close(); serverSocket.close(); } catch(IOException e){ e.printStackTrace(); }}} //客户端程序import java.io.＊;import java.net.＊;public class EchoTest{ public static void main(Stringargs){ Socket echoSocket=null; DataOutputStream os－null; DataInputsStream is=null; DataInputStream stdIn=new DataInputStream(System.in); try{ echoSocket=new Socket(″myHost″,4444); os=new DataOutputStream(echoSocket.getOutputStream()); is=newDataInputStream(echoSocket.getInputStream()); } catch(UnknownHostException e){ System.err.println(″Don｀t know about host:myHost″); } catch(IOException e){ System.err.println(″Couldn｀t get I/O for the connection to:myHost″); } if(echoSocket!=null ＆＆ os!=null＆＆ is!=null){ try{ String userInput; while((userInput=stdin.readLine())!=null){ os.writeBytes(userInput); os.writeByte(″/n′); System.out.println(″echo:″＋is.readLine()); } os.close(); is.close(); echoSocket.close(); } catch (IOException e){ System.err.println(″I/O failed on the connection to:myHost″); } }}}
二、 UDP
采用UDP方式，和TCP有很大的不同。TCP必须由服务器端创建socket,然后由客户端建立socket向服务器端socket发出连接请求，接着服务器端创建一个与客户端socket对应的socket并通过该socket,获得输入输出流，这样，网络通讯变类似文件I/O的方式，而所有网络通讯的复杂性被socket机制所掩盖了(参见图2)；使用UDP的情况则简单一些，在通讯中，客户和服务端都只涉及了两个主要的类：DatagramSocket和DatagramPacket类。DatagramPacket类可以看为是信息的载体，必须为它建立数据缓冲区，从而容纳发送或接受的具体信息；DatagramSocket可以看成是DatagramPacket的发送或接受装置，发送一个Packet必须知道发送的主机地址和端口，接受则只需有一个Packet对象作为容器即可(参见图3)。
//本程序说明：首先服务器端生成DatagramSocket,监听某个端口，准备截获发往该端口的数据报。一旦客户端发送一针对服务器端机器和该端口的数据报，则服务器接收该数据报，从中取得数据报的发送地址和发送端口，并向该发送地址和端口发送一应答报文。报文内容为服务器端的一个文件one－liners.txt中的一行文本，如果，该文件不存在，则发送服务器端的当前时间。 //服务器端程序：import java.io.＊;import java.net.＊;import java.util.＊;//QuoteServer只是提供服务程序的一个入口，主要的程序流程包含在QuoteServer Thread中。class QuoteServer{ public static void main(Stringargs){ new QuoteServerThread().start(); }}class QuoteServerThread extends Thread{ private DatagramSocket socket=null;//用于发送和接收数据报 private DataInputStream qfs=null; //用于读取one－liners.txt文件 QuoteServerThread(){ super(″QuoteServer″); try{ socket=new DatagramSocket(); System.out.println(″QuoteServer listening on port:″＋socket.getLocalPort());//显示服务器端DatagramSocket的端口号(供客户端使用) } catch(java.net.SocketExceptione){ System.err.println(″Could not create datagram socket.″); } this.openInputFile(); } public void run(){ if(socket==null)returnm; while(true){ try{ byte[]buf=new byte[256]; //建立内存缓冲区供DatagramPacket使用 DatagramPacket packet; InetAddress address; int port; String dString=null; packet=new DatagramPacket(buf,256); socket.receive(packet); //接收发往该地址和端口的数据报 address=packet.getAddress(); //获取数据报的源发送地址 port=packet.getPort();获取数据报的源发送端口 if(qfs==null) dString=new Date().toString(); else dString=getNextQuote(); dString.getBytes(0,dString.length(),buf,0); packet=new DatagramPacket(buf,buf.length,address,port); socket.send(packet); //发回服务器端响应数据报 } catch(IOExceptione){ System.err.println(″IOException:″＋e); e.printStackTrace(); } }}protected void finalize(){ if(socket!=null){ socket.close(); socket=null; System.out.println(″Closing datagram socket.″); }}private void openInputFile(){ try{ qfs=new DataInputStream(new FileInputStream(″one－liners.txt″)); }catch(java.io.FileNotFoundException e){ System.err.println(″Could not open quote file.Serving time instead.″)； }}private String getNextQuote(){ String returnValue－null; try{ if((returnValue=qfs.readiine())==null){ qfs.close(); this.openInputFile(); returnValue=qfs.readLine(); //该文件应该至少有一行! } }catch(IOException e){ returnValue=″IOException occurred in server.″; } return returnValue;}}//客户端必须输入java QuoteClient主机名 端口号的形式来运行客户程序import java.io＊;impor tjava.net.＊;impor tjava.util.＊;class QuoteClient{ public static void main(Stringargs){ int port; InetAddress address; DatagramSocket socket=null; DatagramPacket packet; bytesendBuf=new byte[256]; if(args.length!=2){ System.out.println(″Usage:java QuoteClient<hostname> <port＃>″); return;}try{ socket=new DatagramSocket(); //建立DatagramSocket用于发送数据报} catch(java.net.SocketException e){ System.err.println(″Could not create datagram socket.″);}if(socket!=null){ try{ //发送数据 por=Integer.parseInt(args[1]; address=InetAddress.getByName(args[0]); packet=new DatagramPacket(sendBuf,256,address,port); socket.send(packet); //获得应答 packet=new DatagramPacket(sendBuf,256); socket.receive(packet); String received=new String(packet.getData(),0); System.out.println(″Quote of the Moment:″＋received); socket.close(); }catch(IOException e){ System.err.println(″IOException;″＋e); e.printStackTrace(); } } }}
作者单位：吕昱 重庆大学机械工程学院(重庆400044)
